谷爱凌、苏翊鸣、羽生结弦不断挑战极限，北大教授揭秘大脑原理！
2022北京冬奥会上
不论是冰面上精湛的动作细节
跳台外挑战极限的转体技巧
还是雪地里超群的控制能力
运动健儿们不断超越自我
创下新纪录，突破新高度
运动员们如何记忆困难动作
并按照顺序，精准完成
人类又是如何在脑中处理复杂信息？
近日，北大生命科学学院教授唐世明课题组与合作者
在Science发表研究论文
揭示了大脑序列记忆的编码机制
为我们解答了这一问题
唐世明教授课题组与合作者的研究成果在Science发表后，中国国际电视台（CGTN）在北京冬奥会期间对唐教授进行了采访，请他为我们分享论文中的研究成果，并据此对奥运健儿们出色完成复杂动作背后的人类大脑原理进行分析与讲解。
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听唐教授讲解运动员记忆复杂动作的大脑原理
精湛技巧，如何记忆？
人类大脑如何处理复杂信息的时序问题，在此之前一直是未解之谜。
2022年2月8日，中国选手谷爱凌在北京冬奥会自由式滑雪女子大跳台决赛中，挑战了以前从未做过的高难度动作——空中转体1620度加安全抓板，夺得一枚金牌；2月18日，谷爱凌在自由式滑雪女子U型场地技巧决赛中，在成功完成两个900度、一个720度转体动作后，再获一金。
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回顾谷爱凌在比赛中的精彩表现
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回顾苏翊鸣在比赛中的精彩表现
2月10日，日本选手羽生结弦在花样滑冰男子单人自由滑比赛中，凭借充沛的情绪表达、优美的肢体表现、流畅的动作力度，坚持完成了4A动作挑战，赢得世人喝彩。
除了谷爱凌、苏翊鸣和羽生结弦之外，不断挑战自我及人类极限的运动员们不胜枚举，前赴后继地在赛场上勇闯难关。他们需要在极短的时间里，按照特定的顺序，逐一精确地完成一系列“杂技”般的动作。人们在拍手叫绝的同时，也不禁思考着一个问题：他们究竟是如何按时序记住困难动作？人类大脑又是如何处理这类相对复杂的信息？
2月11日，北京大学生命科学学院、北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、北大-清华生命科学联合中心唐世明研究员课题组与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）王立平、上海脑科学与类脑研究中心闵斌研究员合作，在权威学术期刊《科学》（ Science ）发表《序列工作记忆在猕猴前额叶表征的几何结构》（Geometry of sequence working memory in macaque prefrontal cortex ）研究论文，为该领域的研究提供了一个全新的视角。而在此之前，人类大脑如何编码时序信息一直是极为重要的未解之谜。
通过对猕猴进行训练和观察，唐世明教授课题组及其合作者对猕猴大脑外侧前额叶 ( Prefrontal Cortex, 简称PFC ) 皮层采用“双光子钙成像”技术，记录下数千个前额叶皮层神经元。他们在分析后发现，在复杂的神经元钙成像“空间”里，可以找到每个次序的信息所对应的子空间 ( subspace )，从而揭示了大脑神经元群存储序列记忆的简单编码规则，回答了大脑如何记忆复杂动作顺序的问题。
脑中的几块“屏幕”，在进行瞬时记录
按时序形成的“工作记忆”最终转化为“肌肉记忆”，使运动员们出色完成比赛。
“工作记忆”是人类的一种短期记忆形式，是一种大脑对信息进行暂时加工和贮存的、容量有限的记忆系统。在工作记忆中，包括一部分涉及先后顺序的即时记忆，如记住一串电话号码、一种菜式的制作流程、一份日程表；如运动员第一次学习一系列复杂动作，舞者第一次学习新的编舞……在这些情况下，不仅单个内容需要被记住，它们之间的顺序也不能混淆，这便被称为序列记忆。大脑如何存储序列记忆，在之前还是一个未解之谜。
猕猴的认知能力、大脑结构与功能较其他模式动物更接近人类，是研究时间序列等复杂高级认知功能的最佳模型。因此，唐世明课题组与王立平、闵斌合作，训练猕猴记忆由多个位置点组成的空间序列，并利用“双光子钙成像”技术，记录下猕猴在执行序列记忆过程中，前额叶皮层数千个神经元的活动。
猕猴执行空间序列记忆任务
任务中，猕猴面前的屏幕会依次闪现三个不同的点，猕猴需要在几秒钟之后将这些点按呈现的顺序汇报出来。在汇报前的几秒内，空间序列信息便以工作记忆的形式被暂时储存在猕猴大脑外侧前额叶皮层的群体神经中。
序列记忆在神经高维向量空间的表征
分析结果证实了这个猜想：研究人员在分析了高维数据后，发现确实可以在高维向量空间里找到每个次序的信息所对应的二维子空间 ( subspace )，即所谓的“屏幕”。
在每个子空间内，不同点所对应的空间位置与真实视觉刺激的环状结构保持了一致，且不同次序所对应的子空间接近相互正交，说明大脑确实用到了三块不同的“屏幕”来表征序列信息。
研究人员还发现，不同次序的子空间之间共享类似的环状结构，但环的半径大小会随次序的增加而减小。一个可能的解释是，次序靠后的信息所分配到的注意资源更少，导致对应的环变小、区分度降低。这一结构也对应了序列记忆的行为表现，例如我们日常生活中如果记忆的内容越多，越靠后出现的信息便越容易产生记忆偏差。
基于研究结果，唐教授介绍说，在处理“工作记忆”时，我们大脑前额叶皮层的一组神经元会将接收到的信息分割成单个动作或图像的较小部分。然后，大脑皮层用不同的神经元进行“放电”来编码记忆信息。当我们试图回忆时，神经元会以不同的顺序亮起，提醒我们事件的次序。
唐教授接着提到，“工作记忆”只适合记录那些在当下十分重要的信息，存储信息的容量相对有限，且只能在短时间内被回忆起来。为了长时间保存重要信息，当我们反复回忆相同的信息时，“工作记忆”便会被传输到按功能分区的大脑皮层，成为“长期记忆”。即，完成短期记忆到长期记忆的转换。
对于技术娴熟的运动员来说，“长期记忆”最终演变成为“肌肉记忆”，通过反复训练和强化，使他们能够在瞬间完成复杂的动作。这也许是从运动员的角度对“熟能生巧”的最佳解读。
首次在群体神经元水平阐释了
序列工作记忆的计算和编码原理
推翻了顺序调制的单细胞表征模型
为神经网络如何表征时序信息这一难题
提供了新的见解
也为人工智能的发展提供了新思路
唐世明
来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、北京大学生命科学学院
封面图片：人民日报
视频：CGTN、腾讯视频
编辑 | 排版 | 责编：李霁
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